一种化学链燃烧制备合成气的装置和方法与流程

本发明属于合成气制备技术领域，具体涉及一种化学链燃烧制备合成气的装置和方法。

背景技术：

生物质能源作为一种洁净而又可再生的能源，是惟一可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源。生物质是H₂O 和 CO₂在太阳能作用下的反应产物，其具有清洁、可再生的优点，并且在整个循环过程中CO₂是零排放的。全国农作物秸秆年产量约7亿吨，除部分作为造纸原料和畜牧饲料外，约3亿吨可作为燃料使用，折合约1.5亿吨标准煤。其它农业废弃物约1.3亿吨。利用生物质通过一定手段制备合成气具有理论可行性。

合成气是替代传统石油合成化工产品的重要原料，在化工行业中具有十分重要的地位。随着化石能源的日益枯竭和日趋严重的环境问题，利用生物质热化学转化技术制备合成气具有重要的现实意义。合成气是以H₂和CO为主要组分供化学合成用的一种原料气，是替代传统石油合成化工产品的重要原料，其生产和应用在化工行业中具有非常重要的地位，可以作为中间体用于石油化工行业或制备各种高品质液体燃料和化学品，如合成二甲醚、混合醇、氨、降解性聚合物等，其中通过费托合成制备二甲醚是重要的途径之一。

相比传统的生物质气化方式，CO₂作为生物质气化的气化介质研究较少，目前主要围绕煤的CO₂气化研究。但是该气化方式具有其他方式不可代替的优势，一方面该过程将CO₂与生物质中的C进行反应，得到的CO可以作为还原气、能源气和液化过程的基本原料等。另一方面，CO₂是温室效应的主要影响气体，如果该技术能够得到有效的利用，可以将环境中的CO₂加以利用，从而减少环境中的CO₂含量。因此生物质的CO₂气化技术具有研究价值。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种化学链燃烧制备合成气的装置和方法，其省去了额外的CO₂以及水蒸气的制备过程，利用生物质化学链燃烧产生的气体产物并产生大量热的特点，实现了整个反应的能源充分利用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种化学链燃烧制备合成气的装置，其包括化学链燃烧室、设于化学链燃烧室外且位于化学链燃烧室上部的生物质热解室、以及氧载体再生装置；其中，所述化学链燃烧室的顶部设有生物质氧载体混合料进口，化学链燃烧室内的下部设有倾斜放置的筛网，筛网将化学链燃烧室的下部划分为集灰区和氧载体储存区两部分，集灰区开设有第一出灰口，氧载体储存区连接有氧载体第一回流管；所述生物质热解室的上部开设有生物质进料口，生物质热解室的下部设有第二气体出口和第二出灰口；所述氧载体再生装置包括旋风分离器和外部包覆有加热装置的氧载体再生管，旋风分离器出口通过氧载体第二回流管与化学链燃烧室的顶部相连通，氧载体再生管的一端与旋风分离器进口相连接，氧载体再生管的另一端与氧载体第一回流管相连通，且氧载体再生管远离旋风分离器的端部开设有空气进口；所述化学链燃烧室的顶部设有第一气体出口并通过管路与生物质热解室的顶部相连通，位于生物质热解室内的化学链燃烧室部分的外壁上设有加热装置。

具体的，所述化学链燃烧室内壁的上部间隔均布有若干向下倾斜的折流板，折流板设置多层，上层折流板的末端位于下层折流板中部的上方。折流板的作用在于减缓自生物质氧载体混合料进口进入的原料的下落速度，延长原料（生物质和氧载体）在化学链燃烧室内的反应时间，使其充分发生反应，同时也有利于热量的传递。

进一步的，所述氧载体第一回流管与氧载体储存区的连接处设有用以控制两者连通或闭合的插板。

使用上述装置进行化学链燃烧制备合成气的方法，其包括如下步骤：

1）通过加热装置控制化学链燃烧室内的温度在800－900℃；将原料生物质和氧载体混合后自生物质氧载体混合料进口进入化学链燃烧室内，在下落过程中发生化学链燃烧反应，燃烧反应后的小颗粒产物通过筛网并落入集灰区内，燃烧反应后的大颗粒产物自筛网滑落入氧载体储存区内；同时，燃烧反应产生的CO₂气体与水蒸气自第一气体出口排出并通过管路进入生物质热解室内，与自生物质进料口进入的生物质发生热解反应，热解反应产生的合成气自第二气体出口排出；

2）通过加热装置控制氧载体再生管内的温度在850－950℃；氧载体储存区内的大颗粒产物自氧载体第一回流管排出并进入氧载体再生管内，与自空气进口进入的空气混合后一起输送至旋风分离器内，在输送至旋风分离器内的过程中大颗粒产物与空气发生放热反应实现氧载体的再生；

3）再生的氧载体通过旋风分离器和氧载体第二回流管进入化学链燃烧室内参与再次燃烧反应，实现循环利用。

具体的，所述生物质为农作物秸秆（如小麦秸秆、玉米秸秆等），所述氧载体为三氧化二铁颗粒。

本发明装置中主要包括两个反应过程：

1、生物质的化学链燃烧过程。化学链燃烧是一种新型的燃烧方式，具有高效、内分离CO₂、低NO_x等特点。化学链燃烧系统包括两个连接的化学链燃烧室和氧载体再生装置，固体氧载体颗粒在化学链燃烧室和氧载体再生装置之间循环。燃料进入化学链燃烧室后被氧载体颗粒的晶格氧氧化，完全氧化后主要生成CO₂和少量的水蒸气。由于没有空气的稀释，产物纯度很高，将水蒸气冷凝后即可得到纯度较高的CO₂，而无需消耗额外的能量进行分离，所得的CO₂可用于其它用途。其反应式为：

氧载体的再生反应式为：

2、生物质与化学链燃烧产物CO₂以及H₂O（气体）的热解反应过程。生物质在化学链燃烧室中经过化学链燃烧，产物气（主要是CO₂与H₂O），可直接通入到燃烧反应器外的生物质热解室。氧载体在氧载体再生装置中再生时放出的热量可以为外侧生物质热解室内生物质与CO₂与H₂O发生的氧化还原反应提供部分热量。多余的CO₂可用于后期的直接封存。发生的主要化学反应有：

。

本发明的创新点主要在于：1）生物质化学链燃烧的主要气体产物（CO₂+H₂O）直接通入外部的生物质热解室内，作为生物质热解的气体原料用于生物质的气化；2）利用生物质化学链燃烧过程中氧载体再生时放出的热量被氧载体带入化学链燃烧室内，为外部生物质热解室内的生物质气化反应补入了部分热量，氧载体同时起到热载体的作用，实现了化学能量的梯级利用，使系统能源利用率得到明显提高；3）实现氧载体的再生和循环利用，节约了原料；4）化学链燃烧室内折流板的设计延长了原料在化学链燃烧室内的反应时间，使其充分发生反应，同时也有利于热量的传递。5）筛网的设计可以实现化学链燃烧反应后大、小颗粒产物的分离，从而便于大颗粒的氧载体再生和循环使用。

本发明装置结构简单、操作方便，实现了原料氧载体的重复循环利用，并且化学链燃烧产生的气体产物被直接用作生物质热解的气体原料，制备合成出了合成气。本发明省去了额外的CO₂与H₂O制备过程，利用生物质化学链燃烧产生的气体产物并产生大量热的特点，实现了整个反应的能源充分利用。

附图说明

图1为本发明所述化学链燃烧制备合成气的装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

如图1所示，一种化学链燃烧制备合成气的装置，其包括化学链燃烧室7、设于化学链燃烧室7外且位于化学链燃烧室7上部的生物质热解室8、以及氧载体再生装置；其中，所述化学链燃烧室7的顶部设有生物质氧载体混合料进口15，化学链燃烧室7内的下部设有倾斜放置的筛网3，筛网3的上端固定于化学链燃烧室7的侧壁，筛网3的下端固定于化学链燃烧室7的底面，筛网3将化学链燃烧室7的下部划分为集灰区5和氧载体储存区2两部分，集灰区5开设有第一出灰口4，氧载体储存区2连接有氧载体第一回流管21；所述生物质热解室8的上部开设有两个生物质进料口（即第一生物质进料口9和第二生物质进料口16），生物质热解室8的下部设有第二气体出口6和第二出灰口22；所述氧载体再生装置包括旋风分离器12和外部包覆有第一加热装置14的氧载体再生管17，旋风分离器12出口通过氧载体第二回流管10与化学链燃烧室7的顶部相连通，氧载体再生管17的一端与旋风分离器12进口相连接，氧载体再生管17的另一端与氧载体第一回流管21相连通，且氧载体再生管17远离旋风分离器12的端部开设有空气进口20；所述化学链燃烧室7的顶部设有第一气体出口并通过管路与生物质热解室8的顶部相连通（如，与第一气体出口直接连接的管路分为三个支路，其中的两个支路11并联且均与生物质热解室8的顶部相连通，剩余的那个支路13上设有阀门用于收集多余的CO₂气体和水蒸气），位于生物质热解室8内的化学链燃烧室7部分的外壁上设有第二加热装置19。所述化学链燃烧室7内壁的上部间隔均布有若干向下倾斜的折流板18，折流板18设置4层，上层折流板的末端位于下层折流板中部的上方。所述氧载体第一回流管21与氧载体储存区2的连接处设有用以控制两者连通或闭合的插板1。

第一加热装置14、第二加热装置19可以为常用的电加热装置，如电加热管、电炉丝等，只要能实现800－950℃范围的加热即可，此为本领域共知常识，故此不再赘述。

使用上述装置进行化学链燃烧制备合成气的方法，其包括如下步骤：

1）通过第二加热装置19控制化学链燃烧室7内的温度在850℃左右；将原料生物质（如小麦秸秆、玉米秸秆等，需预先粉碎以利于反应燃烧完全）和氧载体（三氧化二铁颗粒，颗粒粒度大于生物质颗粒粒度）混合后自生物质氧载体混合料进口15进入化学链燃烧室7内，在下落过程中发生化学链燃烧反应。当生物质与氧载体燃烧反应完全后，剩下的生物质灰与氧载体继续下落，当与筛网3接触时，由于氧载体与生物质灰的颗粒度不同，小颗粒的生物质灰通过筛网3并落入集灰区内5（可通过第一出灰口4排出），颗粒度较大的氧载体自筛网3滑落入氧载体储存区2内；

同时，燃烧反应产生的产物CO₂气体与水蒸气自第一气体出口排出并通过两个支路11进入生物质热解室8内用作气化剂（多余的CO₂气体和水蒸气经过支路13进行收集，水蒸气冷凝分离后，剩余的CO₂压缩封存），与自第一生物质进料口9和第二生物质进料口16进入的生物质发生热解反应，热解反应产生的合成气自第二气体出口6排出（生物质热解室8内产生的固体杂物可通过第二出灰口22定期排出）；

2）通过第一加热装置14控制氧载体再生管17内的温度在900℃左右；氧载体储存区2内收集的氧载体颗粒自氧载体第一回流管21排出并进入氧载体再生管17内，与自空气进口20进入的预热后高温空气混合后一起输送至旋风分离器12内，在输送至旋风分离器12内的过程中氧载体颗粒与空气发生氧化放热反应，氧载体的晶格氧得到补充，实现氧载体的再生，并通过旋风分离器12实现空气与再生的氧载体的分离；

3）再生的氧载体通过旋风分离器12和氧载体第二回流管10重新进入化学链燃烧室7内参与再次燃烧反应，如此实现氧载体的循环利用。同时，氧载体与空气发生氧化放热反应放出的热量被氧载体直接带入化学链燃烧室7内，为外层生物质热解室8内的生物质气化补充了热量，氧载体同时起到热载体的作用，实现了化学能量的梯级利用，使系统能源利用率得到显著提高。